Gli idrati di metano sono noti anche come “ghiaccio che brucia”

Gli idrati di metano sono composti solidi che si formano a bassa temperatura e sotto elevate pressioni.

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Argomenti trattati

Idrati di metano: cosa sono?

   Idrati di metano: cosa sono?

   Quando sono stati scoperti gli idrati di metano?

   Dove si trovano gli idrati di metano?

   Sfruttamento minerario dell’idrato di metano.

   Problematiche legate all’estrazione di metano da idrati

   Perché il metano allo stato solido è importante?

   Un po’ di chimica. Come si forma  l’idrato di metano (clatrato di metano)


 

Idrati di metano: cosa sono?

Gli idrati di metano sono noti anche come “ghiaccio che brucia” in quanto assomigliano al ghiaccio ma bruciano se si avvicinano a una fiamma. Sono composti solidi che si formano a bassa temperatura e sotto elevate pressioni.

La quantità di metano intrappolata negli idrati di metano è elevata, addirittura superiore a quella di tutti i combustibili fossili (carbone, petrolio, e gas naturale) noti, messi insieme.

 

Gli idrati di metano sono composti solidi che si formano a bassa temperatura e sotto elevate pressioni.


Sono costituiti da una specie di gabbia contenente 46 molecole di acqua e otto molecole di metano, all’incirca 5,75 molecole di acqua per ogni molecola di metano; un metro cubo di idrato di metano contiene circa 165 metri cubi di metano. Sul pianeta si trovano depositi di idrati di metano sotto gli oceani e nei ghiacci permanenti.

Clatrato di metano. Struttura degli idrati di metano: metano allo stato solido, noto anche come idrato di metano, composto da molecole di gas metano all’interno di cristalli di acqua congelata. (Credit: focus,AssoElettrica)

NOTA. La maggior parte dei gas a basso peso molecolare (ad esempio O2, N2, CO2, CH4, H2S, argon, kripton e xeno), così come alcuni a peso più elevato come gli idrocarburi e i freon formano clatrati idrati in determinate condizioni di pressione e temperatura. I clatrati idrati non sono composti chimici.

Quando sono stati scoperti gli idrati di metano?

Negli anni trenta del secolo scorso si scoprì che nei metanodotti che attraversavano zone fredde si verificavano ogni tanto degli intasamenti dovuti a solidi cristallini, simili al ghiaccio; si vide così che si trattava di cristalli costituiti dalla combinazione di metano e acqua; simili “idrati di metano” erano stati scoperti come curiosità già nei primi anni dell’Ottocento.

Dove si trovano gli idrati di metano?

Lo studio della natura degli idrati di metano ha permesso di scoprire che in natura sono molto diffusi. Il metano si forma dalla decomposizione microbiologica della materia organica depositata sul fondo degli oceani e la combinazione del metano con l’acqua si verifica quando le temperature sono basse (10-25°C) ed è elevata la pressione (3-30 MPa) della massa d’acqua sovrastante; gli idrati di metano si trovano anche nel permafrost, la parte dei ghiacciai permanenti.

C’è un enorme quantitativo di metano ghiacciato sotto la superficie dei nostri oceani. Gli oceanografi si domandano che cosa potrebbe succedere se dovesse essere improvvisamente rilasciato dagli strati più profondi. Forse tsunami, frane o il rilascio di enormi quantità di carbonio nella nostra atmosfera con effetti climatici travolgenti.

Sfruttamento minerario dell’idrato di metano.

Le ricerche dell’USGS (United States Geological Survey) stimano che la quantità di carbonio contenuta nei clatrati di metano oceanici sia pari a diecimila miliardi di tonnellate, vale a dire, il doppio rispetto a quella rimasta nei giacimenti di carbone, petrolio e gas naturale sfruttati finora

In questi anni, grazie a programmi di ricerca internazionali, si è constatato che gli idrati di metano rappresentano una ingente risorsa di energia ancora da sfruttare, presente nella geosfera più superficiale (fino a 2 km).

La distribuzione dei giacimenti di clatrati di metano. In blu: giacimenti accertati. In rosso: giacimenti da verificare (fonte: Riso, 2005).

Problematiche legate all’estrazione di metano da idrati

L’eventuale estrazione del gas metano dagli idrati presenta delle problematiche.

Instabilità dei versanti.

Il passaggio di fase (dalla fase solida a quella liquida e gassosa) del metano all’interno dei sedimenti, genera instabilità dei versanti sottomarini.

Il prelievo di ingenti quantità di gas naturale dissociato dai gas idrati solidi, può contribuire a generare sovrappressioni che determinano la diminuzione della resistenza meccanica dei sedimenti, i quali tendono perciò a scivolare lungo il versante con il danneggiamento dei fondali.

In ambienti continentali i gas idrati sono presenti nelle aree coperte dal permafrost, che notoriamente sono zone estremamente vulnerabili a variazioni, anche piccole, di fattori esterni quali quelli derivanti dall’antropizzazione.

L’attività estrattiva nei fondali marini può provocare la distruzione di habitat delicati.

Immissione di metano nell’atmosfera

Un’ulteriore interazione con l’ambiente è quella dovuta all’immissione periodica nell’oceano di gas metano, proveniente dalla dissociazione di idrati, e il conseguente aumento di CH4 nell’atmosfera. Sebbene questo gas naturale sia un componente minoritario dell’atmosfera, esso ha un potenziale “effetto serra” almeno dieci volte superiore a quello dell’anidride carbonica.

Perché il metano allo stato solido è importante?

Oltre ad una possibile sfruttamento minerario, si ipotizza che il metano congelato immagazzini gran parte del carbonio del nostro pianeta, probabilmente svolgendo un ruolo importante nel riciclaggio del carbonio tra la nostra atmosfera e gli esseri viventi. Se da un lato potrebbe essere una potenziale risorsa di energia dall’altro potrebbe provocare dei rischi non trascurabili per l’Uomo. È noto che le bolle di metano contenute nei sedimenti sotto l’Oceano nell’Artico, non raggiungono la superficie, di fatto fermandosi a circa 200 metri nella colonna d’acqua sopra il fondo dell’oceano. Il gas si dissolve nell’acqua prima ancora che possa raggiungere l’atmosfera.

Gli idrati di metano possono esplodere.

Una ricerca ha dimostrato che in fondo al mare ci sono dei giganteschi crateri e molti tumuli che sono state chiamate pingos. Questi pingos sono blocchi di metano idrato congelati all’interno di un reticolo di molecole d’acqua.

Il permafrost della tundra siberiana si sta disgelando e il materiale organico ha iniziato a decomporsi.

Questa decomposizione rilascia anidride carbonica, metano e protossido di azoto, tutti potenti gas serra. Gli scienziati del clima concordano sul fatto che lo scioglimento del permafrost amplificherà gli effetti dei gas serra rilasciati dalle attività umane, che potrebbero peggiorare la quantità di riscaldamento che il pianeta sperimenta. Una serie di laghi craterici – alcuni minuscoli, altri grandi e profondi – sono stati causati da quello che è stato visto come lo scongelamento del permafrost che porta alla raccolta del metano sotto i pingos e ad una successiva esplosione che genera crateri e rilascia gas come nel caso del cratere Yamal.

Cratere Yamal (Siberia). Si tratta dei resti di un pingo, ovvero di una collina prodotta dall’alta pressione dei gas al di sotto del permafrost, lo strato di terreno perennemente ghiacciato. Il cratere sarebbe profondo almeno 50 metri e la sua formazione è molto probabilmente legata allo scoppio di una sacca di gas naturale nel sottosuolo. (Credit: ilmeteo.net)

Il rilascio di idrati di metano in maniera improvvisa e massiva sono quindi un’altra preoccupazione per il clima perché il loro disgelo potrebbe rilasciare violentemente molto gas serra nell’atmosfera.

Un po’ di chimica. Come si forma l’idrato di metano (clatrato di metano)

Gli idrati di metano appartengono alla categoria dei clatrati, sistemi solidi costituiti da un reticolo di composti chimici “ospitanti” che ingabbia nelle sue cavità piccole molecole “ospiti”; nel caso specifico, il reticolo è dato da un cristallo di ghiaccio, nel quale le molecole d’acqua sono unite tra loro da legami a idrogeno e nelle cui maglie sono intrappolate, senza stabilire alcun legame chimico con esse, molecole di metano, con un rapporto in peso tra le due sostanze rispettivamente dell’85 e del 15%.

Struttura dell’idrato di metano, del metano, dell’acqua e la relativa reazione.

Il metano incluso negli idrati viene generato dalla trasformazione della materia organica (plancton, fanghi, liquami) attraverso due tipi di processi: termo genico e biogenico. Nel primo caso, le sostanze organiche contenute nelle rocce madri vengono alterate dal progressivo aumento di temperatura che incontrano man mano che le rocce sprofondano nei bacini sedimentari; nel secondo, sono i batteri metanogeni, che agiscono all’interfaccia acqua-sedimenti, ad operare una decomposizione anaerobica della massa biologica morta.

Gli idrati di origine biogenica risultano contenere essenzialmente metano puro, mentre quelli di origine termogenica contengono anche elevati livelli di etano, propano e butano

Altamente infiammabili (si definiscono talvolta “ghiaccio che brucia”), gli idrati di metano si formano, in presenza di quantità sufficienti di acqua e gas, lì dove sussistono condizioni di bassa temperatura ed alta pressione, nelle quali l’acqua solidifica e le molecole di metano vengono compresse al punto da essere costrette a penetrare nel cristallo di ghiaccio.

Tali condizioni si hanno essenzialmente lungo i margini delle piattaforme continentali, dove maggiore è la concentrazione di sostanza organica, a profondità comprese fra i 300 e i 4.000 metri 

Diagramma di stato dell’idrato di metano

Riferimenti 

ocean4future.org. Un mare di metano allo stato solido sotto la superficie degli oceani potrebbe rilasciare un’enorme quantità di gas serra

Gli idrati di metano

Riso M. “Clatrato idrato, il ghiaccio che brucia”, Rivista Ligure di Meteorologia, anno V, No. 17, pp. 5-9, 2005.

Duegradi, Clatrati, opportunità o minaccia?

Informazioni della difesa, Gli idrati di metano: fonte energetica del futuro?

 



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